本發(fā)明涉及合金組合物，并且具體地講，涉及具有高硬度及包層應用所需的耐磨性和耐蝕性的鈷基合金。
背景技術：
：商用耐磨stellite合金來源于在二十世紀初由elwoodhaynes首次研究的co-cr-w-c系。co-cr-w-c型耐磨堆焊合金以若干修改形式存在，并且通常已知的是，可用的商業(yè)等級范圍滿足了大部分工業(yè)需求。然而，高碳co-cr-w-c合金可能偶爾不足以滿足需求，特別是在泵、葉輪等的部件必須經常承受由硬礦物顆粒在水溶液中的混懸劑構成的介質的同時磨蝕和腐蝕作用的情況下。例如在過磷酸鈣工業(yè)中便遇到了這樣的失效。在肯納司太立金屬公司(kennametalstellite,inc.)開發(fā)的co-cr-mo-c型stellite700系列合金提高了耐磨且耐蝕合金的標準。這些stellite合金在還原或復雜的環(huán)境中具有優(yōu)異耐磨性和超常耐蝕性的獨特組合。co基stellite合金，諸如具有co-33cr-18mo-2.45c的標稱組成的stellite720，因其優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性而聞名。因此，stellite720合金可被用作涂層，通過漿料或布料工藝(諸如由肯納金屬公司(kennametal,inc.)提供的ultraflex和conformaclad技術)以生坯狀態(tài)施加。隨后燒結生坯涂層以將涂層熔合成以冶金方式結合到基底的致密、均勻的層。然而，stellite720是難以通過熱噴涂技術(諸如氧氣助燃超音速火焰噴涂(hvof))施加的。進一步使涂層粘附復雜化的是如下一般概念：在給定基底上噴涂各種涂層組合物時存在厚度限制。因此，co-cr-mo-c型合金的耐磨特性和耐蝕特性在熱噴涂應用中仍在很大程度上未實現(xiàn)。技術實現(xiàn)要素：鑒于前述缺點，本文描述了具有與熱噴涂和燒結技術相容的特性的鈷基合金組合物。這種合金組合物可在各種具有復雜幾何形狀的金屬基底上提供包層，其中包層表現(xiàn)出所需的密度、硬度、耐磨性和耐蝕性。簡言之，本文所述的合金組合物包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷，其中合金組合物中硼與硅(b/si)的比率在0.5至1.0的范圍內。在另一方面，描述了帶涂層的制品。在一些實施例中，帶涂層的制品包括金屬基底和粘附至金屬基底的燒結合金涂層，燒結合金涂層包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷。燒結合金組合物中硼與硅(b/si)的比率可以在0.5至1.0的范圍內。在一些實施例中，燒結合金涂層可以表現(xiàn)出小于2體積％的孔隙率和至少60hrc的硬度。此外，燒結合金涂層可具有至少0.020英寸的厚度。本文還描述了將涂層施加到基底上的方法。在一些實施例中，涂層施加方法包括提供粉末合金組合物，該粉末合金組合物包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷，并通過熱噴涂工藝將該粉末合金組合物施加到基底上。然后燒結所施加的合金組合物，以提供以冶金方式結合到基底的燒結合金涂層。在一些實施例中，熱噴涂工藝為hvof或空氣助燃超音速火焰噴涂(hvaf)。這些和其他實施例在下文的具體實施方式中進一步描述。附圖說明圖1是示出根據本文所述方法施加的燒結co基合金涂層的微觀結構方面的金相圖。圖2(a)至圖2(c)為根據本文所述的一些實施例的具有燒結co基合金涂層以冶金方式結合到其上的鎳基合金基底的橫截面顯微照片。具體實施方式參考以下具體實施方式和實例以及前述和下述內容可更容易地理解本文所述的實施例。然而，本文所述的元素、設備和方法并不限于具體實施方式和實例中所述的具體實施例。應當認識到，這些實施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，多種修改和變更對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。ⅰ.合金組合物在一個方面，本文描述了具有與熱噴涂和燒結熔合技術相容的特性的合金組合物，用于提供表現(xiàn)出所需密度、硬度、耐磨性和耐蝕性的包層。一般而言，本文所述的合金組合物包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷，其中合金組合物中硼與硅(b/si)的比率在0.5至1.0的范圍內。在一些實施例中，合金組合物包含18-20重量％的鉻、17-18重量％的鉬、0-5重量％的鎢、11-15重量％的鎳、2.7-3.3重量％的硼、3.7-4.3重量％的硅、1.3-1.8重量％的碳，以及余量鈷。在此類實施例中，b/si比率可以在0.65至0.85的范圍內。本文所述的合金組合物也可具有在2.0至3.0范圍內的鎳與合金中硼和硅的總和[ni/(b+si)]的比率。在一些實施例中，ni/(b+si)比率在2.1至2.5的范圍內。合金組合物的硼、硅和鎳含量可經過小心控制，以提供通過熱噴涂和燒結熔合技術促進涂層沉積的特性。例如，增加硼和硅的量可以降低合金組合物的熔點，并增大熔化范圍。較低的熔點和增大的熔化范圍可以提高合金組合物的可熔性。在一些實施例中，本文所述的合金組合物具有小于1150℃的液相線溫度。例如，合金組合物可具有范圍為1090℃至1130℃的液相線。此外，合金組合物可具有至少50℃的熔化范圍(液相線-固相線)。在一些實施例中，本文所述的合金組合物具有50℃至70℃的熔化范圍。重要的是，合金組合物的硼、硅和鎳含量需要仔細平衡，以實現(xiàn)前述熱特性。例如，硼、硅和鎳各自對合金組合物的熔點降低具有不同的影響。根據這些影響，上文限定了b/si比率和ni/(b+si)比率。在另外的實施例中，合金組合物中硼和硅的總和(b+si)通常可以在6.0至8.0的范圍內。b+si也可以在6.5至7.5的范圍內，以實現(xiàn)合金組合物的所需熱特性，用于通過熱噴涂和燒結熔合技術而增強沉積。本文所述的鈷基合金組合物可采用任何所需的形式提供。例如，在一些實施例中，合金組合物為適于一種或多種粉末冶金應用的粉末形式。如下所述，合金組合物可為適于熱噴涂(諸如hvof或hvaf)，隨后燒結熔合的粉末形式。此外，粉末合金組合物可適于漿料施加至基底上，隨后燒結，諸如采用由肯納金屬公司(kennametal,inc.)提供的ultraflex技術。在另外的實施例中，粉末合金組合物可適于布料施加至基底上，隨后燒結，諸如采用由肯納金屬公司(kennametal,inc.)提供的conformaclad技術。在一些實施例中，本文所述組合物的粉末合金具有0.1μm至200μm的平均粒度。在其他實施例中，粉末合金具有選自表ⅰ的平均粒度。表i–co基合金平均粒度(μm)75-12520-1005-5010-250.1-10或者，合金組合物可以片材或其他非顆粒形態(tài)形式提供。ⅱ.帶涂層的制品在另一方面，描述了帶涂層的制品。在一些實施例中，帶涂層的制品包括金屬基底和粘附至金屬基底的燒結合金涂層，燒結合金涂層包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷。在其他實施例中，燒結合金涂層可具有以上第ⅰ部分中所述的任何組成。因此，燒結合金組合物可具有第ⅰ部分中詳述的任何b/si比率、ni/(b+si)比率和/或b+si值。燒結合金涂層還表現(xiàn)出所需的特性，包括但不限于密度、硬度、耐磨性和厚度。在一些實施例中，燒結合金涂層是完全致密或基本上完全致密的。例如，燒結合金涂層通?？删哂行∮?體積％或小于2體積％的孔隙率。此外，燒結合金涂層可以沒有裂紋。通過熱噴涂和/或燒結技術施加的燒結合金涂層可經常在冷卻期間產生裂紋。然而，本文所述組合物的燒結合金涂層抗裂，并且可以在基底表面上展現(xiàn)出連續(xù)的無裂紋結構。在一些實施例中，無裂紋形態(tài)可在帶涂層制品的熱循環(huán)或進一步熱處理(諸如用于在涂覆之后恢復下層基底的機械性能的熱處理)之后保持。燒結合金涂層可表現(xiàn)出至少55hrc的硬度。本文所述的硬度值是根據用于金屬材料洛氏硬度的astme-18-02標準測試方法而確定的。在一些實施例中，燒結合金涂層具有選自表ⅱ的硬度。表ⅱ–燒結合金涂層硬度(hrc)57-6560-7060-6561-64燒結合金涂層還可表現(xiàn)出有利的耐磨性。在一些實施例中，根據用干砂/橡膠輪測量磨損的astmg65標準測試方法(astmg65standardtestmethodformeasuringabrasionusingthedrysand/rubberwheel)的工序a，燒結合金涂層具有小于20mm3的調整后體積損失(avl)。本文所述的燒結合金涂層還可表現(xiàn)出選自表ⅲ的avl。表ⅲ–燒結合金涂層avl(mm3)astmg65，工序a<1510-2010-1512-14前述的硬度和耐磨損性等物理特性可部分歸因于燒結合金涂層的微觀結構。例如，comosi和/或co3mo2si的萊夫斯相可提供增強的耐磨性以及對還原環(huán)境(諸如在高溫下暴露于鹽酸(hcl)或硫酸(h2so4))的耐蝕性。除了金屬間硼化物和/或金屬碳化物之外，微觀結構的非晶區(qū)域還可有助于燒結合金的硬度和強度。在一些實施例中，存在式m7(c,b)3和/或m23(c,b)6的金屬碳化物相，其中m為金屬組分，包括但不限于鉻。在一些實施例中，燒結合金的萊夫斯相為非樹枝狀、結節(jié)狀或不規(guī)則形狀。另外，燒結合金的金屬碳化物和/或金屬硼化物可為樹枝狀。圖1示出了本文所述的燒結co基合金涂層的comosi和/或co3mo2si萊夫斯相11和樹枝狀金屬間硼化物12。如上所述，燒結合金組合物的各成分需要仔細平衡，以實現(xiàn)高硬度和耐磨性的有利特性，同時保持所需的耐蝕性和抗裂性。合金的鉬和硅含量保持在足夠的量，以誘使萊夫斯相形成，從而獲得耐磨性和耐蝕性。然而，這些萊夫斯相不夠充足，使得燒結合金的延展性和沖擊強度受損，導致破裂和其他失效機制。類似地，碳和硼以所需的量存在，以形成有益的金屬碳化物和金屬硼化物，而不會使大量的鉬作為mo6c絡合或耗盡。對鉬的競爭可不利地影響萊夫斯相和碳化物相的形成。各合金成分之間的這種平衡產生具有本文所述的所需物理特性和化學特性的燒結合金涂層。燒結合金涂層可以冶金方式結合到金屬基底上。在一些實施例中，燒結合金涂層和金屬基底的界面處可存在過渡區(qū)。界面過渡區(qū)通?？删哂行∮?00μm(諸如10-75μm)的厚度。本文所述的燒結合金涂層可具有任何所需的厚度。例如，燒結合金涂層可具有0.02英寸至0.06英寸的厚度。在其他實施例中，燒結合金涂層的厚度選自表ⅳ。表ⅳ–燒結合金涂層厚度(英寸)>0.0300.030-0.0550.035-0.050>0.0600.005-0.0800.01-0.03本文所述的涂層所粘附的基底可包含不違背本發(fā)明目的的任何金屬或合金。在一些實施例中，基底包含鎳基合金。合適的鎳基合金基底可包含可以和/或商品名商購獲得的鎳基合金。在其他實施例中，基底包含鐵基合金，鐵基合金包括但不限于各種鋼，諸如碳鋼、合金鋼、工具鋼或不銹鋼。在若干特定實施例中，基底可選自in718、in625、300系列不銹鋼以及400系列不銹鋼。此外，金屬基底可具有任何功能或應用。例如，基底可為流體控制系統(tǒng)的部件。在一些實施例中，基底包括閘門閥、閥球和閥座環(huán)、泵柱塞、泵殼、泵葉輪、泵套、高壓壓縮機軸和船用部件。此外，本文所述的帶涂層的制品可用于油井和/或氣體鉆井、石化應用和發(fā)電應用、工業(yè)食品生產以及涉及磨損、磨損腐蝕和/或高溫的一般工程應用。ⅲ.施加合金涂層的方法在另一方面，本文還描述了將涂層施加到基底上的方法。在一些實施例中，涂層施加方法包括提供粉末合金組合物，該粉末合金組合物包含15-25重量％的鉻、15-20重量％的鉬、0-15重量％的鎢、10-20重量％的鎳、2.5-3.5重量％的硼、2.5-4.5重量％的硅、1-2重量％的碳，以及余量鈷，并通過熱噴涂工藝將該粉末合金組合物施加到基底上。燒結所施加的合金組合物，以提供以冶金方式結合到基底的燒結合金涂層。在其他實施例中，粉末狀合金可具有以上第ⅰ部分中所述的任何組成。因此，粉末狀合金可具有第ⅰ部分中詳述的任何b/si比率、ni/(b+si)比率和/或b+si值。此外，粉末合金組合物可具有適于熱噴涂和燒結技術的任何平均粒度，包括本文表ⅰ中列出的平均粒度。用于將粉末合金施加到基底的熱噴涂技術通常采用高速氣體或液體燃料工藝來獲得致密涂層。例如，hvof和hvaf工藝可用于將合金粉末施加到基底?？刂票砻嫠俣群头勰┻M料速率，以提供厚度基本均勻的涂層。在一些實施例中，粉末合金進料速率在20-120克/分鐘的范圍內，表面速度通常在200-400英尺/分鐘的范圍內。在其他實施例中，常規(guī)的低速熱噴涂技術可用于將粉末合金施加到基底。例如，采用氧-乙炔體系的技術可用于施加粉末合金。也可在通過熱噴涂施加涂層之前準備好基底表面。例如，可用合適的溶劑清潔和/或噴砂處理基底表面。對基底進行噴砂處理可誘使產生粗糙的表面狀況，以增強通過熱噴涂施加的涂層的機械結合。在一些實施例中，接受涂層施加的區(qū)域的基底表面具有250ra或更大的粗糙度。可遮蔽未接受合金涂層的基底區(qū)域，或以其他方式防止其接受噴砂處理工藝?？赏ㄟ^熱噴涂工藝施加合金涂層達不違背本發(fā)明目的的任何厚度。在一些實施例中，施加合金涂層達0.005英寸至0.080英寸的厚度。在本文的表ⅲ中提供了所施加涂層的另外的厚度。一旦施加完成，以一種避免產生可導致涂層破裂和/或分層的應力的方式冷卻涂層和基底。在一些實施例中，合金涂層和基底在空氣中緩慢冷卻。隨后對帶涂層的制品進行熱處理，以燒結所施加的合金組合物，產生以冶金方式結合到基底的燒結合金涂層。在一些實施例中，將帶涂層的制品在真空中或惰性氣氛中加熱至足夠的溫度并維持足夠的時間段，以提供以冶金方式結合到基底的燒結合金涂層。燒結溫度和時間可根據所施加鈷基合金的具體成分特性和/或金屬基底的成分特性來調節(jié)。一般而言，燒結溫度可在1030℃至1150℃的范圍內，燒結時間可在幾分鐘至幾小時的范圍內?；蛘撸蓪崃恐苯邮┘又菱捇辖疬M行燒結。在此類實施例中，用于局部施加熱量的噴槍或其他設備可用于燒結操作。所得的燒結合金涂層可具有本文第ⅱ部分中所述的任何特性。例如，燒結合金涂層可表現(xiàn)出第ⅱ部分中詳述的密度、硬度、耐磨性、耐蝕性和微觀結構特性。通過以下非限制性實例對這些和其他實施例進行進一步說明。實例1–帶涂層的制品通過hvof將粉末合金施加至inconel718試樣塊，該粉末合金的組成為18-20重量％的鉻、17-18重量％的鉬、11-15重量％的鎳、2.7-3.3重量％的硼、3.7-4.3重量％的硅、1.3-1.8重量％的碳，以及余量鈷。以約0.026英寸、0.039英寸和0.049英寸的厚度涂覆三個inconel基底。在表ⅴ所示的參數(shù)內維持hvof條件。表ⅴ–hvof參數(shù)在hvof之后，將帶涂層的基底放置在爐中，并將co基合金涂層在1070℃下真空燒結30分鐘至2小時的時間段，然后爐冷至老化溫度并冷卻至260℃以下。圖2(a)至圖2(c)為燒結合金涂層和inconel基底的橫截面顯微照片。如圖2(a)至圖2(c)所示，燒結co基合金涂層以冶金方式結合到基底并顯示出均勻的微觀結構。此外，燒結co基合金涂層沒有裂紋并且沒有可見孔隙。根據用于金屬材料洛氏硬度的astme-18-02標準測試方法測量燒結co基合金涂層硬度，測定為63hrc和63hrc和62hrc。這些硬度值超過了由colmonoy88和deloro75提供的hvof-燒結熔合涂層的硬度值(如表ⅵ所示)。表ⅵ–涂層硬度(hrc)合金組成平均硬度colmonoy88ni-15cr-15.5w-0.6c-3b-4si59deloro75ni-16cr-2.5mo-0.7c-3.5b-4.5si54此外，根據astmg76-07-使用氣體射流進行固體顆粒沖擊來進行侵蝕測試的標準測試方法，燒結co基合金涂層在顆粒沖擊角度為90°時表現(xiàn)出0.041-0.043mm3/g的侵蝕速率。出于比較目的，這種耐沖蝕磨損性類似于可從肯納金屬公司(kennametal,inc.)商購獲得的conformacladwc219。wc219是在ni-cr基質合金中具有48重量％的碳化鎢(wc)顆粒負載的金屬基質復合材料包層。針對實現(xiàn)本發(fā)明多個目的，已描述了本發(fā)明的多個實施例。應當認識到，這些實施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，其多種修改和變更對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。當前第1頁12